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JPH062613A - 内燃機関用ピストンおよびその製造方法 - Google Patents

内燃機関用ピストンおよびその製造方法

Info

Publication number
JPH062613A
JPH062613A JP4184430A JP18443092A JPH062613A JP H062613 A JPH062613 A JP H062613A JP 4184430 A JP4184430 A JP 4184430A JP 18443092 A JP18443092 A JP 18443092A JP H062613 A JPH062613 A JP H062613A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston
reinforcing member
piston body
cooling cavity
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP4184430A
Other languages
English (en)
Inventor
Tomoaki Izumi
知明 泉
Masahiko Nukina
正彦 貫名
Shigeru Tagami
滋 田上
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Izumi Ind Co Ltd
Original Assignee
Izumi Ind Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Izumi Ind Co Ltd filed Critical Izumi Ind Co Ltd
Priority to JP4184430A priority Critical patent/JPH062613A/ja
Publication of JPH062613A publication Critical patent/JPH062613A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0696—W-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 耐熱性の補強部材を効率的かつ強固にピスト
ン本体の上部に結合固着するとともに、必要に応じて内
部に冷却用空洞を形成するようにした内燃機関用ピスト
ンとその製造方法とを提供することを目的とする。 ［構成］ 例えばニレジスト鋳鉄から成る耐熱性の補強
部材１９をピストン本体とは別体に作製しておき、この
ような補強部材１９を摩擦圧接の方法によってアルミニ
ウム合金から成るピストン本体２８の上部に結合固着す
る。このときにピストン本体２８の上部側に設けられて
いる周溝４１を補強部材１９によって閉塞することによ
り冷却用空洞３６を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関用ピストンおよ
びその製造方法に係り、とくに頂面に耐熱性の補強部材
を取付けるようにした内燃機関用ピストンおよびその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の内燃機関、とくに直噴型ディーゼ
ルエンジンに用いられているピストンは図１０に示すよ
うな構造になっていた。アルミニウム合金から成るピス
トン１の外周側であってその上端側にはニレジスト鋳鉄
から成る耐摩環２が鋳包まれており、この耐摩環２にト
ップリング溝３が形成されるようになっていた。またピ
ストン１の頂面には凹部から成る燃焼室４が形成されて
いる。これに対して下端側の凹部の内部にはピンボス５
が形成されるようになっている。
【０００３】図１１は別の直噴型または予燃焼室型ディ
ーゼルエンジンのピストンを示している。ここでは高い
熱負荷による頂面側の温度上昇を防止するために、円周
方向に延びる冷却用空洞６を燃焼室４の下側の内部に形
成するようにしており、この中を冷却油を循環させて冷
却を図るようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図１０に示す従来のピ
ストンによれば、そのトップリング溝３の部分に鋳包ま
れている耐摩環２は鋳鉄から構成されており、アルフィ
ン接合によってピストン１と結合されている。一般にア
ルフィン接合はアルミニウム合金との結合力が弱く、こ
のために耐摩環２の下面と内側の周面のみの結合力でピ
ストン本体１に結合することが難しい。従ってこの耐摩
環２の上面もピストン本体１に鋳包まれるようにしなけ
ればならず、これによって耐摩環２が鋳包まれる位置が
下方に偏倚することになる。このことから、トップリン
グ溝３が頂面に近い位置に形成されているハイトップリ
ング溝を形成することが難しい。
【０００５】また図１０に示すようなピストンによれ
ば、その頂面の全体がアルミニウム合金から構成されて
おり、とくに燃焼室４の周縁部が高い熱的な負荷にさら
されることになる。これによって燃焼室４の開口のエッ
ジの部分に放射状に延びる熱亀裂を生ずる可能性があ
る。
【０００６】また図１１に示すように燃焼室４の下側で
あってその内部に冷却用空洞６を形成する場合には、鋳
型内に冷却用空洞６に対応する形状の塩中子を配し、こ
の状態で鋳型内に溶湯を注入して固化させるようにして
いる。このように塩中子を用いて冷却用空洞６を形成す
るようにすると、ピストン１の形状の制約が大きくな
る。またその製造上塩中子の造型や熱処理、鋳型内への
セット、塩抜き、検査等の工程が増加し、これによって
ピストンのコストが上昇する欠点がある。
【０００７】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであって、頂面側の耐熱性を高めるとともに、塩
中子を用いることなくしかも冷却用空洞を形成すること
を可能にした内燃機関用ピストンおよびその製造方法を
提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、頂面であ
って少なくとも外周側の部分を覆う耐熱性の補強部材が
ピストン本体の上部に摩擦圧接によって固着されている
ことを特徴とする内燃機関用ピストンに関するものであ
る。
【０００９】また第２の発明は、上記第１の発明におい
て、前記耐熱性の補強部材の外周側の部分にトップリン
グ溝が形成されていることを特徴とする内燃機関用ピス
トンに関するものである。
【００１０】また第３の発明は、上記第１の発明におい
て、ピストン本体の上面または前記補強部材の下面に形
成されている開放された周溝が前記補強部材または前記
ピストン本体によって閉塞されて冷却用空洞が形成され
ていることを特徴とする内燃機関用ピストンに関するも
のである。
【００１１】また第４の発明は、ピストン本体とは別体
に耐熱性の補強部材を作製し、摩擦圧接法によって前記
補強部材をピストン本体の上部に固着するようにしたこ
とを特徴とする内燃機関用ピストンの製造方法に関する
ものである。
【００１２】
【作用】第１の発明によれば、耐熱性の補強部材がピス
トンの頂面であって少なくとも外周側の部分に摩擦圧接
によって固着されることになり、このような補強部材に
よってピストンの頂面側に耐熱性を付与するようにな
る。
【００１３】第２の発明によれば、摩擦圧接によってピ
ストン本体の上部に固着されている補強部材の外周面に
トップリング溝が形成されることになる。従って耐熱性
に優れたトップリング溝によって、耐久性が向上される
ことになる。しかも補強部材が頂面に設けられているた
めに、トップリング溝の位置を高くしたハイトップリン
グ溝になる。
【００１４】第３の発明によれば、ピストン本体の上部
または補強部材の下部に開放された周溝を形成するとと
もに、このピストン本体の上面に摩擦圧接によって補強
部材を固着すると、上記周溝が閉塞されて冷却用空洞が
形成されるようになる。
【００１５】第４の発明によれば、予め別体に構成され
た耐熱性の補強部材を摩擦圧接の方法によってピストン
本体の上部に固着することによって、ピストンの頂面で
あって少なくとも外周側の部分を覆うように補強部材が
ピストン本体の上部に取付けられるようになる。
【００１６】
【実施例】図１は本発明の一実施例に係る内燃機関用ピ
ストンを組立てるための摩擦圧接装置を示すものであっ
て、この装置はベッド１０を備えている。そしてベッド
１０上には主軸台１１が取付けられており、この主軸台
１１によって主軸１２が回転可能に支持されている。主
軸１２の図１において左端側にはプーリ１３が固着され
ている。また主軸台１１上にはモータ１４が固定されて
おり、その出力軸にはプーリ１５が取付けられている。
そしてプーリ１５と上記主軸１２のプーリ１３との間に
はベルト１６が掛渡されるようになっている。
【００１７】主軸台１１によって回転可能に支持されて
いる主軸１２の右端側にはワーク取付け盤１７が固着さ
れるとともに、このワーク取付け盤１７にワークチャッ
ク１８を介して補強部材１９が取付けられるようになっ
ている。
【００１８】またベッド１０の上面であってその右側に
はＬ型ブラケット２３が固着されており、このブラケッ
ト２３によって油圧シリンダ２４が支持されている。油
圧シリンダ２４のロッド２５の先端部にはワーク取付け
盤２６が取付けられており、この取付け盤２６にはワー
クチャック２７が設けられている。そしてワークチャッ
ク２７によってピストン本体２８がワーク取付け盤２６
に固着されるようになっている。
【００１９】油圧シリンダ２４側のワーク取付け盤２６
に取付けられるピストン２８は例えばアルミニウム合金
の鋳造物また鍛造物であってよい。これに対して図２に
示す回転側のワーク取付け盤１７に取付けられる耐熱性
の補強部材１９は例えばオーステナイト系のニレジスト
鋳鉄から構成されており、耐熱性と耐摩耗性とを有する
鋳鉄である。そしてこのような補強部材１９がピストン
本体２８の頂部に摩擦圧接法によって結合されるように
なっている。
【００２０】モータ１４によって、プーリ１５、ベルト
１６、プーリ１３、および主軸１２を介して補強部材１
９が取付けられているワーク取付け盤１７を例えば１０
００〜３０００ｒ．ｐ．ｍ．の回転数で回転駆動する。
これに対して回転しない方のワーク取付け盤２６を油圧
シリンダ２４によって例えば４〜１２ｋｇｆ／ｍｍ2の
摩擦圧力で図３に示すように軸線方向に押圧し、このピ
ストン本体２８の上部側を回転する補強部材１９の端面
に圧着する。
【００２１】すると両者の接合部の温度は４５０〜６０
０℃の間の温度に上昇する。補強部材１９とピストン本
体２８との間の相対的な回転数の制御と、補強部材１９
に対するピストン本体２８の押圧力の調整によって、よ
り好ましくは両者の接合部の温度を５００〜５３０℃の
温度にし、両者を摩擦圧接によって結合する。
【００２２】そしてこの後に図４に示すように、モータ
１４を停止して補強部材１９の回転を止める。そして油
圧シリンダ２４によってアップセット圧力をピストン本
体２８に加え、これによってピストン本体２８を補強部
材１９に圧着する。このときのアップセット圧力は４〜
１２ｋｇｆ／ｍｍ2 の値でよく、回転中に油圧シリンダ
２４によって与えられる力とほぼ同じ値でよい。
【００２３】このようにして補強部材１９とピストン本
体２８とが互いに摩擦圧接によって結合固着されるよう
になる。このような摩擦圧接による補強部材１９のピス
トン本体２８に対する密着力は１６ｋｇ／ｍｍ2 以上の
値になる。この圧力は、従来の耐摩環のアルフィン接合
による７〜８ｋｇ／ｍｍ2 の密着力の２倍以上の密着力
となり、これによって補強部材１９がピストン本体２８
に強固に結合固着されることになる。
【００２４】図５はこのようにして頂面側に補強部材１
９が結合されたピストンを示しており、その外周側には
トップリング溝３１とセカンドリング溝３２とサードリ
ング溝３３とがそれぞれ形成される。しかもトップリン
グ溝３１は頂面側に結合されている補強部材１９に形成
される。またこのピストンの頂部には凹部から成る燃焼
室３４が形成されるようになる。しかもこの燃焼室３４
の開口縁部は補強部材１９の開口３５のエッジによって
構成される。従って燃焼室３４の開口縁部が補強部材１
９によって補強されるようになり、これによって高い熱
的な負荷に伴う放射状の亀裂の発生を未然に防止するこ
とが可能になる。またこのピストンの下部の開口の内側
にはピンボス３７が形成されている。
【００２５】さらにこのように頂部側に補強部材１９を
結合することによって、このピストンの内部には冷却用
空洞３６が形成されることになる。このような冷却用空
洞は、図６に示すように、ピストン本体２８の上面の条
溝４０を予め形成するとともに、この条溝４０にさらに
円周方向に延びるように断面がほぼ半円形の周溝４１を
形成するようにする。また補強部材１９については、そ
の下面に突条４２を形成するとともに、この突条４２に
円周方向に延びるように周溝４３を形成しておく。
【００２６】そして補強部材１９をピストン本体２８の
上部に結合する際に、条溝４０と突条４２とを嵌合させ
るようにし、この状態で摩擦圧接を行なう。すると条溝
４０の周溝４１と突条４２の周溝４３とが互いに整合さ
れることになり、これによって冷却用空洞３６が燃焼室
３４の外周側の内部に形成されることになる。
【００２７】このようにして冷却用空洞３６を形成する
際に、補強部材１９側の突条４２の高さをピストン本体
２８側の条溝４０の深さよりもやや小さな値に設定して
おくことにより、補強部材１９がピストン本体２８に摩
擦圧接された際に、条溝４０の底部と突条４２の上面と
の間に若干の隙間が残るかその隙間がほぼ埋るようにす
る。
【００２８】このような突条４２の条溝４０の深さに対
する高さの調整によって、後から形成される冷却用空洞
３６の内面にバリが出ないようにすることができる。一
般に外周側に出るバリについては後から容易に除去する
ことができるものの、冷却用空洞３６の内部に突出する
バリについては後から除去することが実質的に不可能な
ために、上述のような対策を施し、冷却用空洞３６の内
部へのバリの発生を未然に防止するようにしている。
【００２９】このように本実施例は、摩擦圧接法によっ
て予め別体に作られている耐熱性の補強部材１９をピス
トン本体２８に結合するようにしたものである。従来の
アルフィン接合による接合によると、耐摩環とアルミニ
ウム合金から成るピストン本体は溶融によって凝固結合
する一種の溶接によって結合が行なわれる。そして接合
部は鋳造組織であって脆さを伴う。また内部に冷却用空
洞を形成する場合には、塩中子を用いて多工程を要し、
その工程が不安定であり、しかも内部に形成された冷却
用空洞が信頼性に乏しく、品質保証に工数を要する欠点
がある。
【００３０】上記実施例のように、トップリング溝３１
を形成するための耐摩環を兼用するとともに、冷却用空
洞の上部を構成する周溝４３を形成した補強部材１９を
アルミニウム合金から成るピストン本体２８に対して回
転させながら、同軸上で補強部材１９をピストン本体２
８に押付け、両者を摩擦圧接によってアルミニウム合金
の固相域内の温度に昇温させ、一定時間後に補強部材１
９をピストン本体２８に押付けて圧接するようにしてい
る。
【００３１】従って内燃機関用ピストンのトップリング
溝３１の位置を頂面に近く設けることができ、ハイトッ
プリング溝とすることが可能になる。また冷却用空洞３
６の形成を容易にし、あるいはまた製造上従来のアルフ
ィン接合によって結合される耐摩環のような高熱作業お
よび習熟作業を不要にし、さらには不良のアルミニウム
材の発生を解消することが可能になる。さらには塩中子
による冷却用空洞の形成が不要になり、これによって信
頼性の高い冷却用空洞３６を設けることが可能になる。
【００３２】なお上記実施例においては、補強部材１９
をニレジスト鋳鉄から構成しているが、このような材料
に代えて他の耐熱性材料を利用することが可能である。
例えばＦＣＤ、鋳鋼、スチール、高強度銅合金（アルミ
ブロンズ等）の材料まで使用可能である。摩擦圧接の大
きな特徴は、スチール等の接合力の安定性が非常に高い
ことであって、この性質により、上記の各種の材料が使
用可能になる。また摩擦圧接の結合力および上記実施例
の適用部位であれば、必ずしもアルミニウム合金（ＡＣ
８Ａ）に近い熱膨張率である必要はない。また冷却用空
洞３６の構造材として考えるなら、耐熱鋼が適当であ
る。
【００３３】次に上記実施例の変形例を図８によって説
明する。この変形例においては、冷却用空洞３６を塩中
子によって従来の方法で予めピストン本体２８側に設け
ておき、このピストン本体２８の頂面側に摩擦圧接の方
法によって補強部材１９を結合するようにしている。す
なわちここでは補強部材１９は、トップリング溝３１を
形成するための耐摩環としての機能と、ピストンの頂面
の保護と、そして燃焼室３４のエッジの部分の熱亀裂の
防止のためにのみ用いるようにしており、冷却用空洞３
６については従来の方法によって形成するようにしてい
る。
【００３４】図９はさらに別の変形例を示している。こ
の変形例においては、冷却用空洞を設けないピストンに
適用したものであって、アルミニウム合金から成るピス
トン本体２８の頂部に摩擦圧接の方法によって補強部材
１９を結合し、ピストンの頂面の耐熱化を図るようにし
ている。この補強部材１９の外周側にはトップリング溝
３１が形成されるとともに、その頂面の燃焼室３４のエ
ッジの部分を補強部材１９の開口３５によって兼用する
ようにしている。
【００３５】
【発明の効果】第１の発明は、頂面であって少なくとも
外周側の部分を覆う耐熱性の補強部材がピストン本体の
上部に摩擦圧接によって固着されている内燃機関用ピス
トンに関するものである。従って耐熱性を有する補強部
材によって、ピストン本体の上部に耐熱性を付与するこ
とが可能になる。しかも摩擦圧接によってこの補強部材
がピストン本体の上部に固着されているために、高い密
着力で補強部材をピストン本体に結合できるようにな
り、補強部材の脱落が確実に防止されることになる。
【００３６】第２の発明は、耐熱性の補強部材の外周側
の部分にトップリング溝を形成するようにしたものであ
る。従ってトップリング溝の位置が外周側であって頂面
に近い位置に形成することが可能になり、いわゆるハイ
トップリング溝を有するピストンを提供できるようにな
る。
【００３７】第３の発明は、ピストン本体の上面または
補強部材の下面に形成されている開放された周溝が補強
部材またはピストン本体によって閉塞されて冷却用空洞
が形成されるようにしたものである。従ってピストン本
体の上面または補強部材の下面の内の少なくとも一方に
開放された周溝を形成するとともに、補強部材をピスト
ン本体の上部に摩擦圧接によって結合固着することによ
り、冷却用空洞が形成されるようになり、鋳造時に塩中
子を用いて冷却用空洞を設ける必要がなくなる。これに
よって塩中子で冷却用空洞を形成することによる各種の
困難な工程を回避することが可能になり、冷却用空洞を
有するピストンの製造を効率的に行なうことが可能にな
る。
【００３８】第４の発明は、ピストン本体とは別体に耐
摩耗性の補強部材を作製し、摩擦圧接法によって補強部
材をピストン本体の上部に固着するようにしたものであ
る。従って短時間でしかも非常に容易に補強部材をピス
トン本体の上部に固着して結合することが可能になり、
ピストンの製造の合理化と効率化とを達成することがで
きる。またこれによってピストンのコストの低減が可能
になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】摩擦圧接に用いられる装置の正面図である。
【図２】同要部拡大断面図である。
【図３】摩擦圧接の動作を示す要部拡大断面図である。
【図４】アップセット動作を示す要部拡大断面図であ
る。
【図５】製作されたピストンの縦断面図である。
【図６】冷却用空洞を形成する動作を示す要部拡大断面
図である。
【図７】冷却用空洞の部分の拡大断面図である。
【図８】変形例のピストンの縦断面図である。
【図９】別の変形例のピストンの縦断面図である。
【図１０】従来のピストンの縦断面図である。
【図１１】別の従来のピストンの縦断面図である。
【符号の説明】
１０ ベッド １１ 主軸台 １２ 主軸 １３ プーリ １４ モータ １５ プーリ １６ ベルト １７ ワーク取付け盤 １８ ワークチャック １９ 補強部材 ２３ Ｌ型ブラケット ２４ 油圧シリンダ ２５ ロッド ２６ ワーク取付け盤 ２７ ワークチャック ２８ ピストン本体 ３１ トップリング溝 ３２ セカンドリング溝 ３３ サードリング溝 ３４ 燃焼室（凹部） ３５ 開口 ３６ 冷却用空洞 ３７ ピンボス ４０ 条溝 ４１ 周溝 ４２ 突条 ４３ 周溝

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 頂面であって少なくとも外周側の部分を
    覆う耐熱性の補強部材がピストン本体の上部に摩擦圧接
    によって固着されていることを特徴とする内燃機関用ピ
    ストン。
  2. 【請求項２】 前記耐熱性の補強部材の外周側の部分に
    トップリング溝が形成されていることを特徴とする請求
    項１に記載の内燃機関用ピストン。
  3. 【請求項３】 ピストン本体の上面または前記補強部材
    の下面に形成されている開放された周溝が前記補強部材
    または前記ピストン本体によって閉塞されて冷却用空洞
    が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内
    燃機関用ピストン。
  4. 【請求項４】 ピストン本体とは別体に耐熱性の補強部
    材を作製し、摩擦圧接法によって前記補強部材をピスト
    ン本体の上部に固着するようにしたことを特徴とする内
    燃機関用ピストンの製造方法。
JP4184430A 1992-06-17 1992-06-17 内燃機関用ピストンおよびその製造方法 Pending JPH062613A (ja)

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